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在高海拔宇宙線觀測站測控基地展示的自主研發(fā)的光電倍增管。 |
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俯瞰高海拔宇宙線觀測站（無人機(jī)全景照片）。 |
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工作人員在高海拔宇宙線觀測站觀測基地處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 |
5月10日，國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——高海拔宇宙線觀測站“拉索”（LHAASO）順利通過國家驗(yàn)收。
驗(yàn)收委員會認(rèn)為，項(xiàng)目法人單位中國科學(xué)院成都分院和共建單位中國科學(xué)院高能物理研究所按期、全面、優(yōu)質(zhì)完成了國家發(fā)展改革委批復(fù)的建設(shè)任務(wù)，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到或優(yōu)于批復(fù)的驗(yàn)收指標(biāo)。驗(yàn)收委員會同意該項(xiàng)目通過國家驗(yàn)收。
“拉索”位于四川省稻城縣海拔4410米的海子山上，占地面積約1.36平方公里，是目前世界上海拔最高、規(guī)模最大、靈敏度最強(qiáng)的伽馬射線探測裝置，將致力于探索宇宙線起源。
瞄準(zhǔn)宇宙線來源這一重大科學(xué)難題
宇宙線是來自宇宙空間的高能粒子，主要由質(zhì)子和多種元素的原子核組成，并包括少量電子和光子以及中微子，時(shí)刻存在于我們的星球之上。
“拉索”項(xiàng)目首席科學(xué)家、中國科學(xué)院高能物理研究所研究員曹臻說：“宇宙線又被稱作‘銀河隕石’或傳遞宇宙大事件的‘信使’。它們本身就是組成宇宙天體的物質(zhì)成分，并攜帶著宇宙起源、天體演化、太陽活動(dòng)及地球空間環(huán)境等重要科學(xué)信息。因此，研究宇宙線及其起源是人類探索宇宙的重要途徑?！?/p>
1912年，奧地利科學(xué)家赫斯首次發(fā)現(xiàn)宇宙線，但100多年來，人類卻始終沒有發(fā)現(xiàn)宇宙線的起源?！坝钪婢€來自哪里，它們是如何被加速到如此之高的能量，一直困擾著科學(xué)家。”曹臻說。
宇宙線來自哪里，為何這么難以判斷？
一方面，捕捉高能宇宙線極其不易。高能宇宙線的能量跨度從10億到1萬億億電子伏特，能量高的宇宙線應(yīng)該來自劇烈的天體活動(dòng)所伴隨的粒子加速過程。但是，宇宙線能量越高，就越稀少。
“這是因?yàn)楦吣芰Ｗ拥臄?shù)量隨著能量的上升急劇下降，粒子能量每上升10倍，粒子數(shù)量就會下降1000倍，所以最終能到達(dá)地球的高能宇宙線粒子少之又少?！敝袊茖W(xué)院高能物理研究所研究員何會海說。
另一方面，要根據(jù)獲得的宇宙線粒子樣本確定它們來自何方，更是難上加難。
曹臻說：“宇宙線多為帶電粒子，在傳播過程中會被宇宙中無處不在的星際磁場偏轉(zhuǎn)，等到達(dá)地球時(shí)早已失去了原初的方向信息，所以無法反推它源自何方。”
“超新星爆發(fā)、黑洞爆發(fā)、巨大星系之間的碰撞等，都可能是我們要找的來源。到底誰才是真正的來源，還需要繼續(xù)尋找證據(jù)。我們的高海拔宇宙線觀測站正是瞄準(zhǔn)這一重大科學(xué)難題而提出的。”曹臻說。
實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)重大自主技術(shù)創(chuàng)新
因?yàn)橛钪婢€能量越高就越稀少，所以越大規(guī)模的探測器才有可能捕捉到足夠多可供研究的高能宇宙線樣本。
高山實(shí)驗(yàn)是宇宙線觀測研究中能夠充分利用大氣作為探測介質(zhì)、在地面進(jìn)行觀測的手段，探測器規(guī)?？蛇h(yuǎn)大于大氣層外的天基探測器。對于超高能量的宇宙線觀測，這是唯一手段。
“拉索”就是中國的第三代高山宇宙線實(shí)驗(yàn)室，由5216個(gè)電磁粒子探測器和1188個(gè)繆子探測器構(gòu)成的一平方公里地面簇射粒子探測器陣列、7.8萬平方米的水切倫科夫探測器陣列、18臺廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡等三大陣列組成。
“宇宙線中的伽馬射線是高能光子，它進(jìn)入地球大氣后會與大氣中的原子核發(fā)生碰撞，形成一系列新粒子，紛紛落到地面，如同下‘陣雨’一般。”曹臻說，“‘拉索’的這3個(gè)不同類型的探測器就分別對這些紛紛落下的粒子‘雨滴’進(jìn)行探測，搜集它們的信息后再倒推回去，研究導(dǎo)致這些次級粒子產(chǎn)生的超高能粒子的性質(zhì)?！?/p>
在超過4000米的高海拔地區(qū)，要將裝置靈敏度提升30倍，“拉索”工程難度可想而知。然而，“拉索”團(tuán)隊(duì)并未因此退縮，他們迎難而上，克服重重困難，最終如期完成任務(wù)，并在建設(shè)過程中實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)重大自主技術(shù)創(chuàng)新。
比如，“拉索”的時(shí)間分配系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了世界上最高水平的同步精度，達(dá)到亞納秒級別。
“‘拉索’測量粒子‘陣雨’落下來的方向、落在不同地方的‘雨滴’時(shí)間，來重建整場‘陣雨’。‘雨滴’飛落的速度是光速，到達(dá)不同探測器的時(shí)間差也就是10納秒量級。”曹臻說。
“小白兔”原本是加速器中的授時(shí)技術(shù)，當(dāng)時(shí)的對時(shí)精度只有1納秒。基于“小白兔”技術(shù)，清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)與高能物理所聯(lián)手，通過技術(shù)改進(jìn)，使近萬個(gè)探測器節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間偏差小于0.3納秒。
何會海說：“項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還在海量數(shù)據(jù)獲取技術(shù)上取得顯著進(jìn)步，發(fā)展并實(shí)現(xiàn)了‘無觸發(fā)’數(shù)據(jù)獲取，對宇宙線事例實(shí)現(xiàn)‘零死時(shí)間’觀測，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)從海子山觀測基地到高能物理所的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?！?/p>
此外，“拉索”研制出了新一代硅光電倍增管相機(jī)，突破了傳統(tǒng)設(shè)備無法在月夜進(jìn)行觀測的局限，使18臺廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡的觀測時(shí)間得到成倍提高。
過去，20英寸光電倍增管的技術(shù)被國外壟斷。這次，“拉索”團(tuán)隊(duì)攜手國內(nèi)高科技企業(yè)，成功制造出高時(shí)間性能的同類產(chǎn)品，而且良品率非常高——生產(chǎn)了2200多個(gè)，次品僅55個(gè)。這一突破，迫使國外企業(yè)大幅降價(jià)，甚至上門求購。
建設(shè)成為綜合開放的科研平臺
2017年，“拉索”主體工程動(dòng)工。為克服環(huán)境對工程的影響、充分利用觀測資源，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)決定邊建設(shè)邊運(yùn)行。曹臻說：“第一年我們先建1/4，運(yùn)行半年再建1/4，湊成1/2，再運(yùn)行半年?！?/p>
令人意想不到的是，2020年，僅建成1/2規(guī)模的“拉索”就迎來了第一個(gè)重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)。“拉索”在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)大量超高能宇宙加速器，并記錄到1.4拍（拍=千萬億）電子伏的伽馬光子，這是人類觀測到的最高能量光子。這一成果于2021年5月17日發(fā)表在《自然》雜志上。
“這個(gè)發(fā)現(xiàn)突破了人類對銀河系粒子加速的傳統(tǒng)認(rèn)知，開啟了‘超高能伽馬天文學(xué)’的時(shí)代。”曹臻說。
此后兩年間，成果接踵而來。
科研人員利用“拉索”精確測量了高能天文學(xué)標(biāo)準(zhǔn)燭光——蟹狀星云的亮度，為超高能伽馬光源測定了新標(biāo)準(zhǔn)。這次觀測還記錄到能量達(dá)1.1拍電子伏的伽馬光子，由此確定星云核心區(qū)內(nèi)存在能力超強(qiáng)的電子加速器，加速能量直逼經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)和理想磁流體力學(xué)理論所允許的加速極限。相關(guān)成果于2021年7月9日在《科學(xué)》雜志發(fā)表。
隨后，2022年10月9日21時(shí)17分，“拉索”、“慧眼”衛(wèi)星和“極目”空間望遠(yuǎn)鏡同時(shí)探測到迄今最亮的伽馬射線暴（編號GRB 221009A），這是我國首次實(shí)現(xiàn)對伽馬射線暴的天地多手段聯(lián)合觀測。
“拉索”項(xiàng)目建設(shè)單位依托設(shè)施開展觀測與理論研究，并面向國內(nèi)外全面開放共享。目前，已有28個(gè)天體物理研究機(jī)構(gòu)成為“拉索”的國際合作組成員單位?！昂献鹘M利用‘拉索’觀測數(shù)據(jù)開展粒子天體物理研究，同時(shí)進(jìn)行宇宙學(xué)、天文學(xué)、粒子物理學(xué)等眾多領(lǐng)域基礎(chǔ)研究。”曹臻說。
通過國家驗(yàn)收后，“拉索”將成為以中國為主、多國參與的國際宇宙線研究中心，借助高海拔伽馬天文、宇宙線的觀測優(yōu)勢，成為獨(dú)具特色、綜合開放的科學(xué)研究平臺。
此外，曹臻表示，“拉索”團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在已有的4種探測器陣列之外，再新增一個(gè)由32臺望遠(yuǎn)鏡組成的新陣列（LACT）?！斑@個(gè)陣列建好后，‘拉索’相當(dāng)于又增加了一雙‘火眼金睛’，將具有超高能宇宙線發(fā)射位置的識別能力，有望進(jìn)一步逼近最終的答案?！?/p>
《 人民日報(bào) 》（ 2023年05月12日 11 版）